直流电机pid控制系统的设计与实现本科论文.doc
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1、毕业设计论文题 目 直流电机PID控制系统的设计与实现 学生姓名 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 通信1202班 指导教师 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2016年 6 月 5 日陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信1202) 学生姓名 一、毕业设计题目 直流电机 PID 控制系统设计与实现 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 5 月 18 日止三、毕业设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业设计应完成内容及相关要求:设计内容:基于Labview语言和工控机系统或基于单片机控制器,
2、实现对直流电机速度的精确控制。在研究过程中掌握直流电机的工作原理,PID控制器的基本原理及其实现技术,其中重点研究PID算法和程序设计方法。开发的控制系统具有良好的人机交互接口。 设计要点:(1)熟悉直流电机的工作原理;(2)掌握直流电机的控制模式方法(3)学会PID算法设计和实现;(4)根据设计方案,设计出控制器,制作电路板,完成样品制作、调试、改进;(5)系统测试与性能分析,分析存在的技术问题,并提出改进的方法;(6)撰写论文。 五、毕业设计应收集资料及参考文献:1.在学校网页点击图书馆(注意:需要在学校内部上网),进入图书馆网页后点击数据库服务的中文数据库使用以下数据库进行资料搜集:(1
3、)中国知网(CNKI) (2)中国学术期刊全文数据库(3)中国博硕士学位论文全文数据库(4)维普资讯中文期刊服务平台(5)万方期刊全文数据库(6)万方硕博论文全文数据库(7)百链云图书馆2.进入图书馆网页后点击数据库服务的外文数据库使用以下数据库进行资料搜集:(1)BKS外文电子书(2)EI数据库(3)Springer(4)ASME(美国机械工程师协会)3.也可在网上搜索其它数据库(1)IEL(IEEE/IEE Electronic Library)(美国电气与电子工程师学会和英国电气工程师学会),数据库访问地址:http:/ieeexplore.ieee.org(2)Science Onli
4、ne(科学在线),数据库访问地址:http:/www.sciencemag.org 六、毕业设计的进度安排:1.开题报告截止日期:2016年3月18日完成任务:(1)开题报告撰写,并于指定时间在系统中提交开题报告。(2)完成在系统中下达的外文翻译原文并提交。2. 论文(设计)实施阶段截止日期:2016年5月18日完成任务:(1)查阅文献资料拟定毕业论文(设计)大纲,进行相关实验、调查或文献综述。(2)4月中旬必须在系统中提交中期检查,教师审核后按照整改意见修改。(3)提交初稿,教师进行初审,退回修改,直到初稿审核通过,进行定稿阶段。3. 评阅及答辩阶段截止日期:2016年6月13日完成任务:(
5、1)定稿论文评阅,答辩PPT制作。(2)论文答辩,答辩后按照修改意见对论文进行终稿定稿。 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批准日期 2016-01-10 直流电机PID控制系统的设计与实现(陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业1202班, 陕西 汉中 72300)指导老师: 摘要 本次设计主要了解了直流电机的构造及工作原理,并基于单片机设计直流电机PID控制系统的电路。以STC12C5A60S2为控制核心,5-24V直流电机为被控对象,采用KEIL c51编写下位机程序,以PID控制电机的转速,实现对直流电机速度的精确控制。并在研究过程中掌握PID控制器的基本原理及实现技
6、术,开发的控制系统具有良好的人机交互接口。关键字 直流电机;单片机;PID; Design and implementation of PID control system for DC motorLiu shuiling(Grade12,Class02,Major of Communication Engineering,School of Physicsand telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor: Zhao Feng Abstract
7、: The design of the main understanding of the structure and working principle of the DC motor,and the circuit of DC motor PID control system based on single chip microcomputer.With STC12C5A60S2 as the control core,524V DC motor as controlled object.Using C51 KEIL to prepare the next bit machine prog
8、ram,and PID control of motor speed to achieve the DC motor speed control.And in the course of the study to master the basic principles and implementation technology of PID controller, the development of the control system has a good human-computer interaction interface. Key words: DC motor;Singlechi
9、p;PID;目录1 绪论11.1 题目研究意义11.2 无刷直流电机研究现状及发展趋势12 基本理论22.1 无刷直流电机结构22.2 PID算法42.2.1 模拟PID52.2.2 数字PID62.2.3 数字PID参数整定方法83 硬件设计103.1 单片机最小系统模块113.2 显示控制模块133.3 驱动模块设计134 软件设计144.1 主程序设计154.2 PID控制子程序设计184.3 PWM脉冲宽度调制子程序设计204.4 上位机应用软件225 制作与调试235.1 硬件制作235.2 硬件调试246 总结26致谢28参考文献29附录A 英文文献原文30附录B 英文文献译文40
10、附录C 源程序48陕西理工学院毕业设计1 绪论1.1 题目研究意义电机的历史非常悠久,可以追溯到19世纪初。当时,电机本来是为了旋转而发明的一种设备。随着技术的发展,电机被用在各种各样的地方,电机的材料、构造及控制方法都得到了大幅度的提高,对电机的转动转动精度与效率等有了更多要求。近年因为地球温暖化问题,从保护环境的观点来说,高效而清洁的电机技术将愈发重要。从控制层面来看,关键技术是矢量控制技术和高精度的伺服控制技术。本次课题以直流无刷电机为研究对象,并用PID控制系统实现对伺服电机的精确控制。目前,国内外对无刷直流电机的定义一般有两种:一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷
11、直流电机,而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机;另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。但迄今为止,还没有一个公认的统一标准对无刷直流电机进行准确的分类或定义。无刷直流电机由于其具有结构简单、出力大、和效率高等特点,已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用。本次研究题目为直流电机PID控制系统的设计与实现,基于单片机控制系统,实现对无刷直流电机的精确控制。PID控制在电机中的应用十分广泛。它是目前连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式,其调节的实质是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关
12、系进行运算,其运算结果用于输出控制。PID控制算法在相当多的控制领域的应用中都取得了比较满意的效果,而由微机、单片机、DSP等数字芯片实现的数字PID控制算法,由于其软件系统的灵活性,使算法得到了进一步的修正和完善。PID控制算法的种类很多,由于应用场合不同,对算法的要求也有所不同。本次设计的重点是PID算法和PID程序设计方法,通过Keil语言进行编程,实现对直流电机PID控制系统的设计,以及对直流电机速度的精确控制。并学会PID算法的设计与实现,根据方案,设计出控制器,并制作电路板,完成样品的制作、调试、以及改进。并对样品进行系统分析与性能测试,提出改进方案。1.2 无刷直流电机研究现状及
13、发展趋势现代社会中,电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置,经过一个多世纪的发展,其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用,各种类型的电机应运而生,其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其他类型电机,其容量小到几毫瓦,大到百万千瓦。相比之下,同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点,但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围;异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜,但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速,而且必须从电网吸取滞后的励磁电流,从而降低电网功率因数;开
14、关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体,其结构简单、成本低廉,在低速时具有较大的转矩,控制换相时无上下桥直通等问题,但其噪声和转矩波动相对较大,这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用;直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点,被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统,如电力牵引、起重设备等。目前,小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。但是,传统直流电机均采用电刷以机械方式换向,因而存在机械摩擦,使得电机寿命缩短,并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了其在某些特殊场合的应用。因此,在一些对电机性能要求较高的中小型应用场合,继续新型高
15、性能电机的出现。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年法拉第发现电磁感应现象,从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪四十年代,第1台直流电机研制成功。无刷电动机的诞生标志是1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段,是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后,国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电
16、动机已经不是专指具有电子换相的直流电机,而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性,且结构简单、易于控制。其应用从最初的军事工业,向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 2 基本理论2.1 无刷直流电机结构无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路(逆变电路)三部分组成,就其基本结构而言,可以认为是一个电动机系统,其原理框图如图2.1所示。直流电源电机本体逆变器输出 控制器控制信号位置传感器 图2.1 无刷直流电机原理框图用电子开关线路和转子位置传感器代替原直流电机的电刷和机械换向器。直流电
17、源通过电子开关线路向电机定子绕组供电,由位置传感器检测电机转子位置,驱动电机旋转。无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。(1) 电机本体 无刷直流电机的电机本体主要包括定子和转子两部分,在结构上和永磁同步电动机相似,但是没有笼形绕组和其他启动装置。 无刷直流电机的转子是由永磁体组成的,磁钢的磁极N和S是交替放置的。根据所需要的磁场密度选择合适的永磁体,按一定的极对数p(2p=2,4,)组成,产生气隙磁通。图2.2为两种不同结构的转子示意图。 图2.2(a)是在铁芯外表面粘贴径向充磁的瓦片形成稀土永磁体,有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极,以降低电机的制造成本。图
18、2.2(b)是在铁芯中嵌入矩形稀土永磁体,这种结构可以获得较大的磁通,但需要作隔磁处理。 除上述两种转子结构外,还有在铁芯外套上一个整体稀土永磁环的环形转子结构,环形磁体径向充磁为多极,适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电动机,这种结构的转子制造工艺性较好。另外,在电动车驱动中还常常采用外转子结构,将无刷直流电动机装在轮毂之内,直接驱动电动车辆,这种结构的电机其定子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。图2.2 电机转子结构形式 无刷直流电机的定子为电枢,有多相对称绕组,一般为三相、四相、五相不等。定子是由定子冲片(钢片叠加而成)和放置在各个槽中的绕组组成,一般无刷直流电动机的定子结构和同
19、功率的异步电机相同,不同的只是它绕组的分布方式。大部分无刷直流电动机的三相绕组是绕成星形的,每相绕组都是由若干个线圈组成的,每极下的绕组数目都是均等的。 (2)位置传感器 位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分。无刷直流电动机为了实现无刷换向,首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上,把永磁钢放在转子上,这与传统的有刷直流永磁电机正好相反,即无刷直流电动机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。但是,这样还是不够的,因为用一般的直流电源给定子上的各绕组供电,只能产生固定磁场,它不能与运动中的转子磁钢相互作用,以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。只有实时检测电动机转子的位置,再根据转子的位置
20、信号按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连的电力电子开关器件,给电动机的不同相通以对应的电流,从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作,在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场,电动机才可以跟着磁场转动起来。 所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外,还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换向装置,显然在这里转子位置传感器和功率逻辑开关电路起到了电子换向起的作用,它有多种结构形式,常见的有电磁式、光电式和霍尔元件式。(3) 电子开关线路 电子开关线路(逆变器)用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间,有三相半空和三相全控两种,主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部
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